مختبر الفيزياء

مختبر الفيزياء

التبريد بالتبخر

هل سبق أن سكبت كمية صغيرة من الكحول على جلدك؟ من المحتمل أنك قد شعرت بالبرودة. وقد تعلمت سابقًا أن هذه البرودة تكون نتيجة التبخر. ستختبر في هذه التجربة المعدلات التي تتبخر بها أنواع مختلفة من الكحول.

إن الكحول مادة مكونة من مجموعة الهيدروكسيل الوظيفية (OH-) مرتبطة مع الكربون أو مع سلسلة كربونية. وستستنتج من خلال ملاحظاتك عن التبريد بالتبخر الشدة النسبية لقوى التماسك في الكحول الخاضع للاختبار.

سؤال التجربة

ما الفرق بين معدلات تبخر أنواع مختلفة من الكحول؟ وما أوجه الشبه بينها؟

الأهداف

• تجمع البيانات حول تبخر أنواع مختلفة من الكحول وتنظمها.
• تقارن بين معدلات تبخر أنواع مختلفة من الكحول.
• تحلل سبب تبخر بعض أنواع الكحول بمعدل أكبر مقارنة بالأنواع الأخرى.
• تستنتج العلاقة بين قوى التماسك ومعدلات التبخر.

المواد والأدوات

| المادة / الأداة |
| ----------------------------------- |
| ميثانول، كحول الميثيل |
| إيثانول، كحول إيثيلي |
| 2-بروبانول، كحول إيزوبروبيلي |
| شريط لاصق، قطعتان |
| مقياس حرارة، غير زئبقي |
| ورق ترشيح، ثلاث قطع 2.5 cm × 2.5 cm |
| رباطات مطاطية صغيرة |

احتياطات السلامة

• المواد الكيميائية المستخدمة في هذه التجربة قابلة للاشتعال وسامة، فلا تستنشق الأبخرة المتصاعدة من هذه الكيماويات، ولا تترك مصدرًا مشتعلًا بالقرب من هذه المواد، واستخدم هذه المواد في غرفة جيدة التهوية أو تحتوي على جهاز طرد الغازات.
• احذر ملامسة هذه المواد لجلدك أو ملابسك، وأخبر معلمك فورًا إذا وقع حادث أو انسكبت إحدى هذه المواد.
• اغسل يديك جيدًا بعد إنهاء التجربة.

الخطوات

• غلف مقياس الحرارة بقطعة مربعة من ورق الترشيح، وثبتها جيدًا برباط مطاطي صغير. ولتنفيذ ذلك ضع الرباط المطاطي أولًا على مقياس الحرارة، ثم لف الورقة حول مقياس الحرارة، ولف الرباط المطاطي حول الورقة، واحرص على أن تكون الورقة ملفوفة بإحكام حول نهاية مقياس الحرارة.

• أحضر إناءً صغيرًا فيه ميثانول، وضع نهاية مقياس الحرارة المغطاة بالورقة فيه. ولا تدع الإناء ينقص، واترك مقياس الحرارة في الإناء دقيقة واحدة.

• سجل بعد دقيقة واحدة درجة الحرارة التي يقرؤها مقياس الحرارة في جدول البيانات في العمود T₁، حيث تمثل هذه القراءة درجة الحرارة الابتدائية للميثانول.

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مختبر_الفيزياء_التبريد_بالتبخر_مقياس_الحرارة.png

• أزل مقياس الحرارة من الميثانول وضعه على حافة الطاولة بحيث يمتد طرف مقياس الحرارة 5 cm تقريبًا خلف الحافة. واستخدم الشريط اللاصق لتثبيت مقياس الحرارة في مكانه.

• راقب درجة الحرارة خلال التجربة، وبعد مضي أربع دقائق راقب، ثم سجل درجة الحرارة في البيانات في العمود T₂.

• أزل الرباط المطاطي من مقياس الحرارة، وتخلص من ورقة الترشيح حسب تعليمات المعلم.

• كرر الخطوات من 1 إلى 6، متخذًا الإيثانول سائلًا في هذه الحالة، وسجل النتائج في جدول البيانات.

• كرر الخطوات من 1 إلى 6، متخذًا كحول الأيزوبروبيل سائلًا في هذه الحالة، وسجل النتائج في جدول البيانات.

جدول البيانات

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مختبر_الفيزياء_جدول_بيانات_الكحولات.png

| سائل | T₂ (°C) | T₁ (°C) | ΔT (°C) |
| -------------------- | ------: | ------: | ------: |
| الكحول الميثيلي | | | |
| الكحول الإيثيلي | | | |
| الكحول الأيزوبروبيلي | | | |

التحليل

• فسر النتائج: هل أظهر مقياس الحرارة في أثناء محاولاتك ارتفاعًا في درجة الحرارة أم انخفاضًا؟ ولماذا؟

• احسب ΔT لكل من السوائل، وذلك بإيجاد الفرق بين درجة الحرارة النهائية ودرجة الحرارة الابتدائية للسوائل:

T₂ - T₁

• استخدم الصيغ الكيميائية للميثانول CH₃OH، والإيثانول C₂H₅OH، وكحول الأيزوبروبيل C₃H₇OH؛ لتحديد الكتلة المولية لكل من المحاليل التي تم اختبارها. ستحتاج إلى الرجوع للجدول الدوري لحساب الكتلة المولية.

• استنتج: ماذا تستنتج من قيمة ΔT في كل محاولة بالنسبة لمعدل التبخر للأنواع المختلفة من الكحول؟

• التفكير الناقد: لماذا وضع الورق على مقياس الحرارة بدلًا من استخدام مقياس الحرارة وحده؟

الاستنتاج والتطبيق

• استخدم معدلات التبخر للكحول التي درستها، كيف يمكن أن تحدد أي أنواع الكحول قوة تماسكه أكبر؟

• أي أنواع الكحول قوة تماسكه أقل؟

• ما العلاقة العامة التي وجدتها بين التغير في درجة الحرارة ΔT والكتلة المولية للكحول؟

• كوّن فرضية: هل يؤدي تشغيل مروحة في المختبر إلى تغيير درجة حرارة الغرفة؟ وهل يغير قيمة ΔT التي راقبتها؟ وضح ذلك.

التوسع في البحث

توقع مقدار ΔT لكحول 1-بيوتانول الذي صيغته الكيميائية C₄H₉OH بالنسبة إلى قيم ΔT لأنواع الكحول التي اختبرتها.

الفيزياء في الحياة

بدأت دائرة الأرصاد الجوية الأمريكية في استخدام دليل برودة الرياح عام 2001م، وكانت خرائط الطقس القديمة تعتمد على البيانات المستخلصة من تجارب تجمد الماء التي أُجريت في منطقة القطب الجنوبي سنة 1940م.

وضح كيف ترتبط برودة الرياح مع التبريد بالتبخر؟ ولماذا تعد هذه الظاهرة مهمة في الطقس البارد؟ وما التعديل الذي أضافته الخرائط الحديثة للخرائط القديمة؟

الإثراء العلمي: المادة العجيبة A Strange Matter

الصفحة الثالثة في الملف بعنوان الإثراء العلمي وليست ضمن عنوان مختبر الفيزياء مباشرة، لكنها موجودة داخل الملف المرفق، لذلك أدرجتها هنا بالترتيب.

المادة العجيبة

أصبحت حالات المادة الأربع الأكثر شيوعًا، الصلبة، والسائلة، والغازية، والبلازما، مألوفة لديك، ولكن هل علمت أن هناك حالة خامسة للمادة؟ تُعرف بتكثف بوز - أينشتاين BEC.

ما تكثف بوز - أينشتاين؟

إن بدايات BEC كانت عام 1920م من خلال الدراسات التي قام بها ستندراناث بوز على قوانين فيزياء الكم التي تخضع لها طاقات الفوتونات.

فقد طبق أينشتاين معادلات بوز على الذرات، وأظهرت المعادلات أنه إذا كانت درجة الحرارة لذرات معينة منخفضة فإن معظم الذرات ستكون في مستوى الطاقة الكمي نفسه.

وبتعبير آخر، عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا تهبط الذرات التي تحتل مستويات مختلفة للطاقة فجأة إلى أقل مستوى ممكن للطاقة. وعند درجات الحرارة هذه، والتي لا توجد في الطبيعة، ولكن يمكن إيجادها في المختبر باستخدام تقنية متقدمة جدًا، لا يمكن التمييز بين ذرات BEC كما تكون مواقعها متماثلة.

كيف نشأت BEC؟

تمكن العالمان إيرك كورنيل وكارل وايمن من التوصل إلى أول حالة BEC في عام 1995م، ولإيجاد BEC استخدم العالمان ذرات عنصر الروبيديوم.

وكان عليهما أن يقررا كيفية تبريد هذه الذرات إلى درجة حرارة أخفض من أي درجة تم الوصول إليها حتى تلك اللحظة.

وقد تندهش عندما تعلم أن إحدى الخطوات المهمة للوصول إلى درجات حرارة منخفضة جدًا هي استخدام أشعة الليزر لتبريد ذرات الروبيديوم.

يمكن لليزر صهر الفلز، ويمكنه أيضًا تبريد عينة من الذرات إذا ضُبط؛ لكي ترتد فوتوناته عن الذرات، وفي هذه الحالة ستحمل الفوتونات جزءًا من طاقة الذرات مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارة العينة، ولكن أشعة الليزر لن تبرد العينة إذا لم يتم ضبطها بدقة عالية.

وعندما تضبط أشعة الليزر عند التردد المناسب فإن النتيجة تكون عبارة عن عينة ذراتها باردة جدًا.

تُحفظ هذه المادة المتكونة في حيز يحدده شعاع الليزر مع المجال المغناطيسي، ولا تحفظ في وعاء مادي لمنع حدوث تماس حراري يكسبها حرارة.

تُبرَّد هذه العينة عن طريق الليزر إلى درجة حرارة:

1 / 10000 K تقريبًا

لكنها بذلك لن تكون باردة بما يكفي لتكوين BEC؛ لذا يستخدم العلماء التبريد بالتبخير لإنجاز الخطوة النهائية للوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة.

وتتم عملية التبريد بالتبخير كالآتي:

يتم احتجاز الذرات في وعاء ثم يطبق عليه مجال مغناطيسي قوي جدًا، يؤثر هذا المجال عليها بقوة فيسمح للذرات ذات الطاقة الأعلى بالانطلاق تاركة الذرات ذات الطاقة المتدنية جدًا، وهذه هي الذرات التي تتكثف فجأة لتكوين BEC.

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الإثراء_العلمي_تكثف_الذرات_لتكوين_BEC.png

تعليق الصورة:
تتشكل القمة الوسطى في هذه الصور الثلاث عند تكثف الذرات لتكوين BEC.

التوسع

• قوّم: الصعوبات التي يمكن أن تواجه العلماء للتغلب على إيجاد تطبيقات لحالة BEC.

• قارن: هل عملية التبريد بالتبخير التي توجد حالة BEC هي العملية نفسها التي تساعدك على الحفاظ على برودتك في يوم حار؟ وضح ذلك.